鋼纖維噴射混凝土在某水電站引水隧洞工程施工中的應(yīng)用

1、鋼纖維噴射混凝土在某水電站引水隧洞工程施工中的應(yīng)用2009-11-20 09:21:06 黃河規(guī)劃設(shè)計(jì)2009年第3期 作者：高旭輝 周延國 王建功 微博評論 瀏覽次數(shù)：0字號：T|T摘要鋼纖維混凝土作為一種新型復(fù)合材料，已成為混凝土科學(xué)發(fā)展的一個(gè)方向，并以其良好的抗裂性、彎曲韌性、抗托與抗彎強(qiáng)度等性能，正廣泛應(yīng)用于各類工程建設(shè)領(lǐng)域。本文根據(jù)某水電站引水隧洞的地質(zhì)條件及施工現(xiàn)狀，提出對類圍巖洞段可用鋼纖維噴射混凝土替代網(wǎng)噴混凝土的支護(hù)處理方案，在實(shí)際施工過程中取得了良好的效果。 關(guān)鍵詞類圍巖網(wǎng)噴混凝土 鋼纖維噴射混凝土 效果評價(jià)1 工程概況某水電站位于四川省境內(nèi)的木里河（雅礱江支流）上，是木里

2、河六個(gè)梯級電站中的第三級。該水庫采用低閘引水式發(fā)電，電站裝機(jī)4 臺，單機(jī)容量60MW，總裝機(jī)容量240 MW。電站樞紐工程由首部樞紐、引水系統(tǒng)、地面廠房系統(tǒng)等建筑物組成。引水系統(tǒng)由引水隧洞、調(diào)壓室、壓力管道組成。引水隧洞布置在右岸，從進(jìn)水口至調(diào)壓井，全長18.7km，為有壓圓形洞，襯砌后的過水?dāng)嗝鏋?.2m（最大開挖斷面達(dá)8.4m）。2 引水隧洞區(qū)工程地質(zhì)條件引水隧洞沿線出露巖性主要為奧陶系下統(tǒng)瓦廠組（O1W）板巖夾變質(zhì)石英砂巖、千枚巖，人公組（O1r）的變質(zhì)石英砂巖夾板巖、千枚巖，少量三疊系下統(tǒng)領(lǐng)麥溝組（T1l）的板巖夾千枚巖、硅質(zhì)板巖，志留系（S1）的板巖夾千枚巖、硅質(zhì)巖，巖層總體產(chǎn)狀：3

3、30°320°SW30°50°。引水隧洞沿線地層巖性以板巖夾千枚巖為主，部分為中厚厚層狀變質(zhì)石英砂巖。引水隧洞沿線發(fā)育4 條規(guī)模較大橫切隧洞的斷層圓寶山斷層、尼都斷層、機(jī)落斷層、茶布朗斷層，破碎帶一般寬約2040m，其中機(jī)落斷層寬達(dá)100200m，由碎裂巖、糜棱巖、角礫巖、少量斷層泥組成。隧洞區(qū)層間剪切錯(cuò)動帶及各類結(jié)構(gòu)面均較發(fā)育，地層揉皺強(qiáng)烈。由于該電站引水隧洞線路較長，地質(zhì)條件相對較差，隧洞圍巖以類、類為主，占引水隧洞全長的65%，為確保工程進(jìn)度和施工安全，根據(jù)不同的圍巖地質(zhì)情況，將類圍巖洞段由原設(shè)計(jì)的網(wǎng)噴混凝土支護(hù)改為鋼纖維噴混凝土支護(hù)，取得了滿意的

4、效果。具體內(nèi)容介紹如下：3 鋼纖維噴射混凝土的力學(xué)性能及噴射方法選定3.1 鋼纖維噴射混凝土的力學(xué)性能鋼纖維噴射混凝土是在普通噴射混凝土的拌合料中加入一定量無定向分布的鋼纖維，經(jīng)噴射機(jī)和輸料管在噴頭處加入適量水（干噴法）后直接噴射到工程結(jié)構(gòu)物面上的一種混凝土施工工藝。這些無定向分布的鋼纖維起到了微型配筋的作用，能增強(qiáng)混凝土之間的握裹力和錨固力，從而有效地阻礙混凝土內(nèi)部微裂縫的擴(kuò)展及宏觀裂縫的形成，鋼纖維起到了代替鋼筋網(wǎng)或鋼筋的作用，顯著地改善了混凝土的抗拉、抗彎、抗沖擊及抗疲勞性能，具有較好的延性。由于采用高壓噴射工藝，在水源、集料的反復(fù)連續(xù)撞擊下而使混凝土擠壓密實(shí)，同時(shí)采用的水灰比較?。?.

5、42），因而具有較高力學(xué)強(qiáng)效和良好的耐久性，尤其與混凝土、巖石有較高的粘結(jié)強(qiáng)度，非常適用于地質(zhì)條件較差的洞室和邊坡的噴射支護(hù)。3.2 鋼纖維噴射混凝土方法的選定噴射鋼纖維混凝土施工方法分干噴法和濕噴法兩種。干噴法施工特點(diǎn)：設(shè)備簡單，易于施工，但施工環(huán)境粉塵大，混凝土水灰比不易嚴(yán)格控制，且材料回彈損失稍大。濕噴法是將一定級配的混合料在攪拌機(jī)中加以攪拌均勻后的濕料經(jīng)噴射機(jī)及管道從噴嘴中噴出，其特點(diǎn)混凝土水灰比易控制，施工環(huán)境粉塵小，材料回彈損失少，但設(shè)備價(jià)格較貴。經(jīng)綜合比較后，針對本電站施工特點(diǎn)，最終采用干噴法。4 鋼纖維噴射混凝土的材料選定及配合比試驗(yàn)4.1 材料選定（1）鋼纖維：采用重慶宜筑商

6、貿(mào)有限公司生產(chǎn)的普通碳鋼鋼纖維，長度2040mm，直徑0.530.57mm，長徑比64，抗拉強(qiáng)度1 1451 545MPa。該材料經(jīng)中國水電五局中心試驗(yàn)室檢測，檢測結(jié)果合格。（2）骨料：采用現(xiàn)場紫坪公司生產(chǎn)的人工骨料，巖性以灰?guī)r為主。砂的細(xì)度模數(shù)FM=3.2，含泥量18%，級配良好；粗骨料粒徑規(guī)格為520mm，針片狀含量58%，壓碎指標(biāo)值68%，含泥量0.5%。（3）水泥：選用峨嵋水泥廠生產(chǎn)的普通硅酸鹽32.5R 水泥，規(guī)范要求鋼纖維混凝土水泥采用強(qiáng)度等級42.5MPa 普通硅酸鹽水泥，因峨嵋普通硅酸鹽32.5R 水泥的強(qiáng)度等級已經(jīng)達(dá)到42.5MPa 的指標(biāo)，故可以使用。（4）礦物摻合料：混凝

7、土中加入鋼纖維之后，其流動性會變差，且為泵送施工，需利用礦物摻合料的疊加效應(yīng)，優(yōu)化攪拌、運(yùn)輸和施工工藝。粉煤灰能減少混凝上干縮和徐變；在保證混凝土強(qiáng)度不變的前提下減少水泥的用量，從而降低混凝土的水化熱。本工程摻用四川達(dá)竹煤電集團(tuán)生產(chǎn)的散裝級粉煤灰作為摻合料，其細(xì)度不大于20%，需水量不大于105%。（5）速凝劑：選用昆明聲威外加劑有限公司生產(chǎn)的SW 紅星一號速凝劑。（6）拌合水：可飲用自然水。4.2 噴射素混凝土與鋼纖維噴射混凝土的對比試驗(yàn)原素噴混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級為C20，于現(xiàn)場進(jìn)行了配合比及28d 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)（見表1），鋼纖維混凝土配合比要考慮設(shè)計(jì)要求的抗壓、抗折等級，還要顧及施工方便。在

8、常用的C20 泵送混凝土配合比基礎(chǔ)上，調(diào)整砂率，適當(dāng)增加膠凝材料的總量，共試拌A、B、C 三組配合比試驗(yàn)（見表2）。通過綜合比較試拌混凝土的抗壓、抗折強(qiáng)度、和易性、鋼纖維分布情況等，最終確定泵送鋼纖維混凝土配合比（見表3）。 在完成室內(nèi)試驗(yàn)，選定最佳配合比后，必須從原材料進(jìn)場檢測，混凝土攪拌站計(jì)量上料、拌合、出料坍落度檢測、混凝土試件留取、泵送混凝土運(yùn)輸、施工現(xiàn)場作業(yè)、以及混凝土養(yǎng)護(hù)等工序入手，嚴(yán)格控制各道工序，確?，F(xiàn)場施工質(zhì)量。5 鋼纖維噴射混凝土的施工方法及效果評價(jià)5.1 鋼纖維噴射混凝土的施工方法施工時(shí)采用分回次進(jìn)行噴射，每一段長約3m 左右，每段間搭接長30cm，每一噴層厚度

9、35cm。為控制回彈率并提高混凝土與巖面的粘結(jié)強(qiáng)度，在噴前基巖面上噴一層約1cm 厚的水泥砂漿。噴射時(shí)，噴嘴距巖面約0.81.0m，噴射角度為7090°。5.2 鋼纖維噴射混凝土的效果評價(jià)5.2.1 噴射質(zhì)量比較由于隧洞圍巖地質(zhì)條件普遍較差，構(gòu)造發(fā)育，層間擠壓揉皺、錯(cuò)動較強(qiáng)，光爆效果不夠理想，開挖面起伏度較大，如果采用網(wǎng)噴混凝土，由于鋼筋網(wǎng)很難形成巖面輪廓，和巖面距離不易控制，而采用鋼纖維噴混凝土可以沿凸凹面均勻噴射，與巖面間粘結(jié)良好，支護(hù)質(zhì)量較高。5.2.2 進(jìn)度安全比較常規(guī)網(wǎng)噴混凝土作業(yè)，掛設(shè)鋼筋網(wǎng)的時(shí)間為網(wǎng)噴混凝土總時(shí)間的1/2，采用鋼纖維噴射混凝土，可節(jié)省掛網(wǎng)的時(shí)間，避免了在

10、破碎巖體掛網(wǎng)的危險(xiǎn)，縮短了施工周期和設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間，同時(shí)，由于鋼纖維噴射混凝土具有較好的抗裂性能，能較好的適應(yīng)洞內(nèi)的變形，特別在破碎巖體部位，爆破后的及時(shí)支護(hù)，能以最快速度起到加固作用，更能保證施工安全。5.2.3 性能比較隧洞鋼纖維噴射混凝土強(qiáng)度試驗(yàn)成果表明，鋼纖維噴射混凝土相比鋼筋網(wǎng)噴射混凝土其性能改善和提高了許多：(1)鋼纖維噴射混凝土的抗壓強(qiáng)度，在同等標(biāo)號情況下均比普通網(wǎng)噴混凝土要好得多。(2)抗拉、抗折變形性能得到有效改善，一旦鋼纖維混凝土出現(xiàn)裂縫，鋼纖維的作用更加明顯，能發(fā)揮較好的阻裂作用。(3)以往采用鋼筋網(wǎng)噴射混凝土存在集料回彈大以及施工易出空洞，鋼纖維噴射混凝土較好地解決了這些

11、問題。鋼纖維噴射混凝土具有較好的韌性，當(dāng)結(jié)構(gòu)受力達(dá)到極限強(qiáng)度后隨著變形的發(fā)展仍將保持一定的承載能力，它的韌性對圍巖的變形具有良好的吸收能力，有利于在與圍巖的共同變形中建立起新的平衡。6結(jié)語（1）兩者僅從材料費(fèi)用考慮，鋼纖維噴射混凝土費(fèi)用較高，但鋼纖維噴射混凝土具有支護(hù)快速、及時(shí)，噴層混凝土力學(xué)性能優(yōu)良和圍巖粘結(jié)強(qiáng)度高等特點(diǎn)，這對確保施工安全、加快施工進(jìn)度都有顯著的效果；大大避免了鋼筋網(wǎng)對施工質(zhì)量、回彈以及巖面存在空洞等不利影響；省去了鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)的工序，提高了勞動效率，無論從經(jīng)濟(jì)上還是技術(shù)上都具有一定的優(yōu)勢。（2）采用鋼纖維噴射混凝土不僅抗折強(qiáng)度有所提高，而且韌性好，具有良好的吸收適應(yīng)變形能力，

12、可防止巖塊的塌落，對圍巖的變形有很強(qiáng)的適應(yīng)能力。（3）由鋼纖維噴射混凝土組成的襯砌結(jié)構(gòu)在防水性能和抗腐蝕能力方面有較大的提高，同時(shí)，它的施工工藝簡單，不需增添設(shè)備，在地下洞室的支護(hù)中具有明顯的優(yōu)越性，值得推廣應(yīng)用。  隧道鋼纖維噴射混凝土性能試驗(yàn)及其工程應(yīng)用 隧道網(wǎng) (2008-7-6)  來源：重慶高速公路發(fā)展有限公司    摘 要：根據(jù)鋼纖維噴射混凝土結(jié)構(gòu)力學(xué)原理，為了研究鋼纖維混凝土噴層在隧道單層永久襯砌支護(hù)中適用性，先分析鋼纖維在混凝土中的增強(qiáng)力學(xué)作用機(jī)制，然后完成鋼纖維噴射混凝土合理配比、抗拉、抗壓、抗折及抗折初裂

13、強(qiáng)度和彎曲性能等指標(biāo)的室內(nèi)試驗(yàn)；并結(jié)合具體的隧道現(xiàn)場噴射試驗(yàn)，以及圍巖應(yīng)力、鋼纖維混凝土噴層應(yīng)力及洞周附加水平收斂等監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。研究結(jié)果表明，鋼纖維噴混凝土抗拉、抗折強(qiáng)度高，韌性好，噴層中的應(yīng)力分布較均勻，具有較好的讓壓能力，噴射作業(yè)回彈損失量減少，說明鋼纖維噴射混凝土是一種理想的單層襯砌支護(hù)材料，具有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。    關(guān)鍵詞：隧道工程；試驗(yàn)；力學(xué)性能；單層襯砌；鋼纖維噴射混凝土     1  引  言    鋼纖維混凝土作為一種新型建筑材料，近年來在國內(nèi)外得

14、到了迅速發(fā)展。與普通混凝土相比，鋼纖維混凝土不僅能明顯改善抗拉、抗剪、抗折以及抗?jié)B能力，而且能大大增強(qiáng)斷裂韌性和抗沖擊等多項(xiàng)性能，所以在道路路面、橋梁結(jié)構(gòu)、隧道襯砌支護(hù)等工程中廣泛應(yīng)用。鋼纖維噴射混凝土是由均勻散布有鋼纖維的混凝土拌和料，借助壓縮空氣高速噴射成型的新型復(fù)合材料，隨著其在隧道和地下工程新奧法施工中的推廣使用，已越來越引起學(xué)術(shù)及工程界的重視，并在實(shí)際工程中取得了良好的應(yīng)用效果。    高爾新等通過鋼纖維在噴射混凝土中的受力特性，研究了鋼纖維在混凝土中的分布規(guī)律；嚴(yán)少華等采用剛性壓力試驗(yàn)機(jī)，對不同鋼纖維摻量的混凝土進(jìn)行了單軸壓縮荷載作用下的應(yīng)力一應(yīng)變?nèi)^

15、程試驗(yàn)；范新等運(yùn)用拉應(yīng)力累積損傷破壞準(zhǔn)則，通過對鋼纖維噴射混凝土支護(hù)坑道與其他支護(hù)類型的對比，研究了鋼纖維噴射混凝土支護(hù)抗爆炸振塌能力；丁琳基于濕噴鋼纖維混凝土的力學(xué)性質(zhì)，分析了濕噴混凝土的特點(diǎn)及其在公路隧道中臨時(shí)與永久支護(hù)中的應(yīng)用。    隨著纖維噴射混凝土在地下及隧道工程中的應(yīng)用日愈增多，對其噴射技術(shù)，如材料、增強(qiáng)機(jī)制、力學(xué)試驗(yàn)、早期強(qiáng)度、應(yīng)用與設(shè)計(jì)等方面的研顯得愈加重要。本文采用理論研究、室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場應(yīng)用相結(jié)合的方法，研究鋼纖維噴射混凝土的室內(nèi)力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)，并通過渝宜高速公路摩天嶺隧道通風(fēng)斜井現(xiàn)場噴射試驗(yàn)及其監(jiān)控量測結(jié)果分析，為鋼纖維噴射混凝土在隧道單層永

16、久襯砌中的推廣應(yīng)用提供參考依據(jù)。    2  鋼纖維混凝土的增強(qiáng)作用機(jī)制    普通混凝土基體本身就是一種多相、多組分、非勻質(zhì)的顆粒型脆性復(fù)合材料，其拉壓比低(8%13%)、極限延伸率小(0.0l%0.02%)，故在動載和靜載作用下，往往過早引起破壞，并全面影響其他性能。在混凝土結(jié)構(gòu)形成過程中，因失水等原因引起收縮，只要收縮應(yīng)力達(dá)到混凝土的抗拉強(qiáng)度，在其內(nèi)部即出現(xiàn)不同尺度的微細(xì)裂紋，加之施工期間帶來的毛細(xì)孔、氣孔等缺陷，氣孔直徑為0.011mm，毛細(xì)孔尺度約為氣孔的1/1000，其中連通孔對混凝土的物理力學(xué)、化學(xué)性能產(chǎn)生很不

17、利的影響，在受力過程中，這些孔縫和缺陷都是裂縫源，在裂縫尖端出現(xiàn)應(yīng)力集中 (見圖l(a)。    從圖1可以看出，只要裂縫尖端有應(yīng)力集中，裂縫則急劇擴(kuò)展，降低了混凝土的承載能力，導(dǎo)致其突然的脆性破壞，從而混凝土的固有理論抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能發(fā)揮，普通混凝土的理論抗壓強(qiáng)度可達(dá)1000MPa數(shù)量級，而實(shí)際抗壓強(qiáng)度僅有10MPa數(shù)量級。但是，如果在混凝土基體中摻入不同數(shù)量的鋼纖維，因鋼纖維的阻裂效應(yīng)，則產(chǎn)生如圖1(b)，(c)所示的情況，跨越裂縫和靠近裂縫尖端的纖維，使得混凝土的斷裂能量提高50200倍，應(yīng)力傳遞給裂縫的上、下表面，隨著纖維體積摻率的增大裂縫尖端應(yīng)力集中程度

18、不僅能緩和，且有消失的可能，在混凝土結(jié)構(gòu)形成過程中，鋼纖維阻止裂縫引發(fā)，減小與縮小裂縫源尺度和數(shù)量；在受力過程中，又抑制了裂縫引伸和擴(kuò)展，緩和了裂縫尖端應(yīng)力集中程度。這意味著采用鋼纖維混凝土可能引起開裂和變形，但仍保持有很強(qiáng)的承載能力，能在相當(dāng)長的時(shí)問內(nèi)維持圍巖的穩(wěn)定性，這對在巖石支護(hù)過程中必須考慮的連續(xù)變形問題具有重要意義。圖1  鋼纖維對應(yīng)力集中作用示意圖    3  鋼纖維混凝土力學(xué)性能室內(nèi)試驗(yàn)    3.1  試驗(yàn)材料    試驗(yàn)采用的鋼纖維為重慶宜筑商貿(mào)有限公司生產(chǎn)

19、的剪切波浪型鋼纖維，當(dāng)量直徑0.5 mm，長徑比60，抗拉強(qiáng)度大于500 MPa；水泥采用華新牌42.5R普通硅酸鹽水泥；粗骨料為隧道現(xiàn)場機(jī)制碎石，粒徑為6.010.8mm連續(xù)級配；細(xì)骨料采用摩天嶺機(jī)制砂和宜昌細(xì)河砂的復(fù)合細(xì)骨料，其中機(jī)制砂占細(xì)骨料的70%，宜昌細(xì)河砂占30%，復(fù)合細(xì)骨料細(xì)度模數(shù)為2.7；外加劑選用德國巴斯夫公司生產(chǎn)的高效無堿液態(tài)速凝劑；硅粉摻量為水泥用量1.80%。    3.2  試驗(yàn)配比    鋼纖維噴射混凝土配合比的選定，除了考慮其抗壓強(qiáng)度的要求外，還必須考慮其抗彎強(qiáng)度、彎曲韌度系數(shù)和抗折性能的要求。

20、試驗(yàn)時(shí)鋼纖維的幾何參數(shù)保持不變，著重研究其體積摻率變化(Vf=0.0%，0.4%，0.6%，0.8%)對鋼纖維噴射混凝土力學(xué)性能的影響。速凝劑摻量占總質(zhì)量的7%，采用先干拌后濕拌的方法拌和，其試件材料組成見表1。表1  鋼纖維噴射混凝土試件材料組成    3.3  試件制作    噴射混凝土與模筑混凝土在施工工藝、混凝土的成型以及力學(xué)性能方面有所不同，為了使室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)芊磻?yīng)噴射混凝土的實(shí)際情況，試件采用現(xiàn)場噴射若干，隧道內(nèi)養(yǎng)護(hù)2 d后脫模運(yùn)至實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，在實(shí)驗(yàn)室養(yǎng)護(hù)7 d后進(jìn)行切割、打磨，成型試塊，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)

21、養(yǎng)護(hù)至28 d齡期后進(jìn)行試驗(yàn)，本試驗(yàn)混凝土基體設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C30。圖2  鋼纖維噴射混凝土與普通混凝土應(yīng)力一應(yīng)變曲線    3.4  試驗(yàn)結(jié)果及分析    所有試驗(yàn)按照鋼纖維混凝土試驗(yàn)方法(CECS13：89)進(jìn)行制作與養(yǎng)護(hù)，試驗(yàn)采用WAW-2000型微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)采用應(yīng)變率控制的加載方式，應(yīng)變率為10-4s-1，試件選用100mm×100mm×100 mm立方體及100 mm×100mm×400 mm小梁試件，分別進(jìn)行抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉以及抗折強(qiáng)度等相應(yīng)試驗(yàn)

22、。    (1)鋼纖維噴射混凝土抗壓強(qiáng)度    同級別配比條件下，鋼纖維噴射混凝土與普混凝土應(yīng)力一應(yīng)變曲線如圖2所示，從圖中可以看出，鋼纖維噴射混凝土的彈性模量略小于普通混凝土的，并且抗壓強(qiáng)度提高幅度不大，在同樣大小的峰值應(yīng)力作用下，鋼纖維的摻入可以提高混凝土的峰值應(yīng)變；普通混凝土應(yīng)力一應(yīng)變曲線下降段更陡，而鋼纖維噴射混凝土的曲線更為平滑，荷載達(dá)到峰值后，并非突然下降，提高了韌性，表明普通噴射混凝土呈脆性破壞特征，而鋼纖維噴射混凝土卻表現(xiàn)出明顯塑性變形破壞特征，這主要是由于鋼纖維的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)大于普通混凝土，在基體開裂后由于纖維的黏結(jié)作

23、用，使得復(fù)合體有明顯的殘余變形階段，且韌性明顯提高，表現(xiàn)出很大的峰值后變形能力；另外，從鋼纖維噴射混凝土抗壓試驗(yàn)破壞形式可以看出，其無碎塊，無崩裂，基本上保持原來的外形，僅出現(xiàn)了裂縫和小量的表面剝落，進(jìn)一步說明由于鋼纖維的摻入，使得混凝土由脆性破壞變?yōu)檠有云茐摹?#160;   (2)鋼纖維噴射混凝土抗拉強(qiáng)度    試驗(yàn)結(jié)果表明，鋼纖維噴射混凝土比同樣配比的普通混凝土的抗拉強(qiáng)度提高了58.63%。分析其原因，當(dāng)摻入鋼纖維后，由于纖維與基體黏結(jié)作用，當(dāng)復(fù)合體中的混凝土材料達(dá)到極限抗拉強(qiáng)度后，纖維與水泥膠漿硬化體的界面黏結(jié)力阻止裂縫的進(jìn)一步擴(kuò)展，因

24、鋼纖維的抗拉強(qiáng)度很高，將拉應(yīng)力傳至未開裂的混凝土硬化體上，直至鄰近硬化體的應(yīng)力達(dá)到極限抗拉強(qiáng)度時(shí)又產(chǎn)生新的微裂縫，如此進(jìn)行下去，產(chǎn)生多縫斷裂，同時(shí)將過高的拉應(yīng)力集中向遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移，使結(jié)構(gòu)內(nèi)的拉應(yīng)力逐漸趨于均勻分布，并最終主要由鋼纖維承擔(dān)，因此鋼纖維混凝土的抗拉強(qiáng)度大大提高。    (3)纖維摻率對鋼纖維混凝土抗壓、抗拉強(qiáng)度的影響    鋼纖維體積摻率Vf與抗壓、抗拉強(qiáng)度關(guān)系曲線分別如圖3，4所示。從圖中可以看出，7和28 d時(shí)可看出鋼纖維噴射混凝土的抗壓、拉強(qiáng)度隨著坼的增加而提高。28 d時(shí)，Vf從0.0%增加到0.8%，抗壓強(qiáng)度只提高了

25、21.7%，而抗拉強(qiáng)度則提高了96.5%，抗拉強(qiáng)度的提高更為明顯；當(dāng)Vf從0.0%分別增加到0.4%，0.6%和0.8%時(shí)，抗拉強(qiáng)度分別提高了55.4%，89.2%和96.5%。由此可見，Vf =0.6%時(shí)，鋼纖維對混凝土抗拉強(qiáng)度的增強(qiáng)效果已經(jīng)很好，當(dāng)繼續(xù)增大時(shí)，對抗拉強(qiáng)度的提高效果不再顯著，至于Vf =0.4%時(shí)出現(xiàn)較低的抗壓強(qiáng)度，是因?yàn)檎駬v不均使得鋼纖維噴混凝土試件出現(xiàn)過多的蜂窩，造成其內(nèi)部不密實(shí)。    (4)抗折強(qiáng)度和抗折初裂強(qiáng)度    試驗(yàn)測得不同Vf情況下鋼纖維噴射混凝土的抗折強(qiáng)度fr和抗折初裂強(qiáng)度fcr的值如表2所示，初

26、裂點(diǎn)按照鋼纖維混凝土試驗(yàn)方法中的規(guī)定確定。    從表2可以看出，當(dāng)Vf從0.0%分別增加到0.4%，0.6%，0.8%時(shí)，鋼纖維噴混凝土的抗折強(qiáng)度7：分別提高了48.1%，76.7%，84.0%；抗折初裂強(qiáng)度分別提高了37.6%，62-4%，69.6%；而比值fr/frc，從0.81減小到0.74。由此可見，摻入鋼纖維對噴射混凝土抗折強(qiáng)度的提高要優(yōu)于對抗折初裂強(qiáng)度的提高效果，鋼纖維的摻入對混凝土的抗折強(qiáng)度有明顯的提高，但當(dāng)Vf從0.6%增大到0.8%時(shí)，對抗折強(qiáng)度的提高變得不明顯。    (5)鋼纖維噴混凝土的彎曲性能 &

27、#160;  在實(shí)際隧道錨噴支護(hù)工程中，噴射混凝土層會承受彎矩作用。試驗(yàn)彎曲韌性指數(shù)測試方法采用ASTMCl018韌性指數(shù)I5，I10和I30，分別計(jì)算3.0，5.5和15.5倍初裂點(diǎn)撓度處的韌度值，采用綜合評判指標(biāo)R30,10來確定鋼纖維混凝土的韌性。圖5給出了鋼纖維噴射混凝土荷載一撓度曲線。鋼纖維噴射混凝土彎曲韌性指數(shù)見表3。從圖5及表3可以看出：    鋼纖維噴射混凝土的初裂強(qiáng)度有一定提高，        表3鋼纖維噴混凝土彎曲韌性指數(shù)其峰值荷載提高比較明顯，當(dāng)鋼纖維體積率達(dá)到0.8%時(shí)，

28、峰值荷載比同樣配比的素混凝土提高了l.3倍。    鋼纖維的加入對于混凝土韌性的增強(qiáng)效果十分顯著，未加鋼纖維的混凝土剛達(dá)到破壞荷載時(shí)其荷載一撓度曲線便急速下降，而加入鋼纖維以后，荷載一撓度曲線即使在混凝土已開裂、撓度非常大的情況下仍很平緩。    Vf從0.4%增加到0.8%時(shí)，鋼纖維增強(qiáng)作用基本上隨纖維摻量的增加而增大。其峰值荷載、韌性指數(shù)I5，I10和I30都在增大，說明Vf越大，鋼纖維噴混凝土的韌性也越高。試驗(yàn)中，素混凝土在達(dá)到極限抗彎強(qiáng)度后，試件立即折斷，呈脆性破壞；而鋼纖維噴混凝土觀察最終破壞時(shí)的斷面，可以看到鋼纖維僅有少量

29、被拉斷，其大部分被拔出。圖3  鋼纖維體積摻率與抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線圖4  鋼纖維體積摻率與抗拉強(qiáng)度關(guān)系曲線圖5  荷載一撓度關(guān)系曲線表2  抗折強(qiáng)度和抗折初裂強(qiáng)度    4  工程應(yīng)用分析    4.1  工程概況    摩天嶺隧道是國家重點(diǎn)公路杭州一蘭州高速公路巫奉段關(guān)鍵性控制工程，為一座上、下行分離的四車道特長隧道，隧道左線長7280 m，右線長7353 m。根據(jù)隧道需風(fēng)量及地形地質(zhì)條件等因素綜合考慮，在左右線各設(shè)置斜井一座，分別對左右線進(jìn)行送

30、排風(fēng)，其中隧道l#斜井長1367.31 m，傾角24°2148”，最大埋深822 m，隧址區(qū)穿過的地層由新到老有下統(tǒng)嘉陵江組(T1j)和大冶組(Tld)，巖層主要為薄中厚層弱風(fēng)化隱晶質(zhì)灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r及泥灰?guī)r。隧道斜井洞身段原設(shè)計(jì)采用復(fù)合襯砌，IIIII初期支護(hù)由徑向錨桿，鋼筋網(wǎng)及噴射混凝土組成，二次襯砌采用35 cm模筑素混凝土，施工揭露的該隧道圍巖較完整、穩(wěn)定性良好，施工開挖洞段巖面干燥，按原設(shè)計(jì)施作二次襯砌施工難度和危險(xiǎn)性都很大。因此，對采用鋼纖維噴射混凝土作為隧道單層永久襯砌進(jìn)行研究是十分必要的。    根據(jù)設(shè)計(jì)要求，在隧道II，I級圍巖地段選取

31、100 m采用鋼纖維網(wǎng)噴射混凝土作為單層永久襯砌試驗(yàn)。表4給出了鋼纖維濕式噴射鋼纖維混凝土現(xiàn)場試驗(yàn)段(XJlK0+702802，共5段，每段20 m)強(qiáng)度值。現(xiàn)場試驗(yàn)表明，鋼纖維濕式噴射混凝土，其拌合料的和易性良好，強(qiáng)度達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，早期強(qiáng)度高，強(qiáng)度離散性小，實(shí)測的噴射回彈損失率拱部為14.7%，邊墻部位7.5%，作業(yè)粉塵濃度1.56mg/m3。表4  鋼纖維濕式噴射混凝土現(xiàn)場試驗(yàn)(XJlK0+702802)    4.2  現(xiàn)場監(jiān)測與分析    為了研究鋼纖維混凝土噴層的實(shí)際力學(xué)性能和隧道圍巖的穩(wěn)定情況，對鋼纖

32、維噴射混凝土試驗(yàn)段進(jìn)行了現(xiàn)場監(jiān)測。監(jiān)測時(shí)選擇鋼纖維混凝土噴層試驗(yàn)斷面3(XJ1K0+752)處進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)控量測，監(jiān)測主要內(nèi)容包括周邊收斂、混凝土噴層應(yīng)力及圍巖應(yīng)力。    (1)隧道周邊收斂    隧道周邊收斂量測是量測隧道表面兩點(diǎn)問的距離變化，量測儀器采用SWJIV型收斂計(jì)。隧道收斂時(shí)態(tài)曲線如圖6所示。從圖6可以看出，試驗(yàn)斷面3凈空日收斂速率最大值為0.551 mm/d，平均收斂速率為0.263 mm/d，雖然收斂速率曲線前期有一定的波動，但波動范圍較小，實(shí)測收斂曲線在15 d內(nèi)即趨于平穩(wěn)，說明噴射鋼纖維混凝土單層襯砌與圍巖共同變形

33、體系穩(wěn)定性良好，表明鋼纖維噴射混凝土具有較好讓壓支護(hù)的特點(diǎn)。    (2)混凝土噴層應(yīng)力    混凝土噴層應(yīng)力采用振弦式混凝土應(yīng)變計(jì)進(jìn)行量測。在試驗(yàn)斷面3的左邊墻、左拱腰、拱頂、右邊墻、右拱腰對稱點(diǎn)各埋設(shè)一組混凝土應(yīng)變計(jì)，應(yīng)變計(jì)處于混凝土噴層中間，測試方向?yàn)樗淼缽较驊?yīng)力。鋼纖維混凝土噴層應(yīng)力變化曲線如圖7所示。    從圖7可以看出，監(jiān)測點(diǎn)所測的混凝土噴層應(yīng)力較小，左腰處壓應(yīng)力最大，最大壓應(yīng)力為0.51.MPa，從噴層應(yīng)力變化趨勢來看，各測點(diǎn)出的應(yīng)力變化隨時(shí)間的增加而增加，測試初期混凝土應(yīng)力有一個(gè)快速增長

34、階段，而后趨于平穩(wěn)，鋼纖維混凝土噴層應(yīng)力的增長率逐漸減小并趨0，說明襯砌受力較小且很快趨于穩(wěn)定，這與收斂監(jiān)測結(jié)果是一致的。    (3)圍巖應(yīng)力    圍巖應(yīng)力采用JXY一3型雙膜壓力盒與鋼弦頻率測定儀進(jìn)行配套量測，在拱頂、拱腰和邊墻腰各對稱點(diǎn)埋設(shè)壓力盒。鋼纖維混凝土段圍巖應(yīng)力變化曲線如圖8所示。    從圖8可以看出，測試初期圍巖應(yīng)力隨著時(shí)間增長，而后趨于平穩(wěn)，測試鋼纖維混凝土噴層支護(hù)各測點(diǎn)圍巖應(yīng)力值較小，圍巖最大應(yīng)力出現(xiàn)在右腰處，為0.27 MPa，監(jiān)測結(jié)果表明鋼纖維噴射混凝土的延性和韌性不僅使得襯砌

35、與圍巖緊密接觸，填塞、封閉圍巖裂隙，而且在同隧道圍巖共同變形過程中持續(xù)有效地提供支護(hù)抗力，有助于圍巖通過應(yīng)力調(diào)整，形成足夠大的塑性區(qū)，充分發(fā)揮隧道塑性區(qū)巖體的卸載作用，使傳到支護(hù)體上的壓力大為減小。圖6  隧道收斂時(shí)態(tài)曲線圖圖7  鋼纖維混凝土噴層應(yīng)力變化曲線圖8  鋼纖維噴射混凝土段圍巖應(yīng)力變化曲線    5  結(jié)論    本文通過對鋼纖維噴射混凝土的室內(nèi)力學(xué)性能試驗(yàn)及其增強(qiáng)機(jī)制研究，并結(jié)合實(shí)際工程的應(yīng)用可以得出如下結(jié)論：    (1)噴射混凝土由于鋼纖維的摻入，從根本上改變了普通混凝土材料的性質(zhì)，使之由脆性材料變成柔性材料，當(dāng)鋼纖維混凝土噴層受壓開裂時(shí)，仍具有一定的承載能力，適宜用于隧道的柔性支護(hù)。    (2)鋼纖維體積參率K從0.0%增加到0.8%時(shí)，噴射混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度提高21.7%，抗拉強(qiáng)